年产5000吨聚四氟乙烯生产车间工艺设计毕业论文.doc

年产5000吨聚四氟乙烯生产车间工艺设计毕业论文目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1 概述11.1.1 聚四氟乙烯性质11.1.2 聚四氟乙烯用途及应用前景21.1.3 世界聚四氟乙烯发展概况41.1.4 我国聚四氟乙烯发展前景51.2 设计任务和内容81.3 生产方法和工艺流程的设计原则81.4 计算机在车间设计的应用92 生产方案及流程的确定92.1 工业中生产聚四氟乙烯的常用方法92.1.1 引发剂引发混合液聚合102.1.2 热引发本体聚合122.2 生产方法的特点122.2.1 引发剂引发混合液聚合122.2.2 热引发本体聚合132.3 生产设备初探132.3.1 常用的反应器132.3.2 换热器152.4 本设计的生产方法及流程162.4.1 生产聚四氟乙烯工艺流程示意图172.4.2 生产工艺流程172.4.3 生产工艺流程的特点183 物料衡算183.1 蒸发器及附属换热器203.2 蒸汽动力压缩机213.3 干燥物料衡算213.4 物料衡算汇总表224 能量衡算224.1 能量衡算说明224.2 蒸发器热量衡算234.2.1 蒸发热量衡算说明234.2.2 蒸发热量衡算计算简图234.2.3 设计计算的合理性讨论244.3 压缩机膨胀能量衡算254.3.1 压缩机膨胀热量衡算计算简图254.3.2 气态四氟乙烯膨胀能量衡算254.3.3 设计计算的合理性讨论264.4 流化床换热器能量衡算274.4.1 流化床换热的有关说明274.4.2 产品的初步冷却274.4.3 产品的完全冷却274.5 列管式固定反应器能量衡算284.6 凉水塔的能量衡算284.6.1 置换热量衡算说明284.6.2 热量衡算计算简图284.6.3 能量衡算294.7 能量衡算汇总表295 主要设备工艺计算305.1 列管式固定床反应器305.1.1 工艺说明305.1.2 聚合反应机理335.1.3 反应器的工艺计算365.2 凉水塔385.3 流化床干燥器425.3.1 工艺说明425.3.2 物料和热量衡算445.3.3 流化速度的确定475.3.4 流化床层底面积的计算485.3.5 干燥器高度495.3.6 干燥结构设计505.3.7 热风进出口接管直径的确定515.3.8 卧式多室流化床干燥器设计计算结果明细526 附属设备工艺的计算546.1 蒸发器附属换热器及附属离心泵546.2 四氟乙烯液体储罐566.2.1 储罐罐体计算566.2.2 荷重计算576.2.3 地脚螺恮和螺母586.3 旋风分离器596.4 风机596.5 空气加热器607 车间布置设计611 绪论1.1 概述1.1.1 聚四氟乙烯性质聚四氟乙烯（英文缩写为Teflon或PTFE,F4）：密度：2.12.3 g/cm3;,被美誉为 “塑料王”，中文商品名“铁氟龙”、“特氟隆”（teflon)、“特氟龙”、“特富隆”、“泰氟龙”等。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性(是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的)、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力、耐温优异（能在+250至-180的温度下长期工作）。聚四氟乙烯在-196260的较广温度范围内均保持优良的力学性能，全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。 聚四氟乙烯(F4,PTFE)具有一系列优良的使用性能:耐高温长期使用温度200260度，耐低温在-100度时仍柔软；耐腐蚀能耐王水和一切有机溶剂；耐气候塑料中最佳的老化寿命；高润滑 具有塑料中最小的摩擦系数（0.04；不粘性 具有非常低的表面能、具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害 具有生理惰性；优异的电气性能，是理想的C级绝缘材料，报纸厚的一层就能阻挡1500V的高压；比冰还光滑。分述如下：耐高温使用工作温度达250。 耐低温具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196，也可保持5%的伸长率。 耐腐蚀对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂，不溶于强酸、强碱和有机溶剂（包括魔酸，即氟锑磺酸）以及强氧化剂的腐蚀。除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300以上稍溶于全烷烃（约0.1g100g）。 耐气候耐辐照性能和较低的渗透性；长期暴露于大气中，表面及性能保持不变，有塑料中最佳的老化寿命；聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性；限氧指数在90以下。 高润滑是固体材料中摩擦系数最低者；它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的15，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四氟乙烯具有不粘性。不粘附是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。 无毒害具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应。 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万（聚合度在104数量级，而聚乙烯仅在103）。一般结晶度为9095，熔融温度为327342。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19时，形成136螺旋；在19发生相变，分子稍微解开，形成157螺旋。聚四氟乙烯材料，广泛应用在国防军工、原子能、石油、无线电、电力机械、化学工业等重要部门。产品：聚四氟乙烯棒材、管料、板材、车削板材。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。结构式为 。20世纪30年代末期发现，40年代投入工业生产。性质 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万（聚合度在104数量级，而聚乙烯仅在103）。一般结晶度为9095，熔融温度为327342。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19时，形成136螺旋；在19发生相变，分子稍微解开，形成157螺旋。 1.1.2 聚四氟乙烯用途及应用前景目前PTFE微粉的制备与应用已经成为世界合成材料改性界的热点话题。PTFE微粉在台战材料、润滑油、印刷油墨、潦料等方面具有广泛的用遮。在合成材料方面，PTFE微粉可用作合成材料的改性剂。据悉，月前世界市场上所有改进润滑件的工程颦蚪几乎都掺加了PTPE超细粉或微粉，当前普遍应用是将5一25的PTFE微粉加入聚碳酸酯、聚醛树脂，聚苯硫醚、聚乙惜ABS树脂、聚酉烯以厦乙丙橡皎、百土|橡胶、氟橡胶、丁苯橡髓等，能改变这些材料所制备的零件的磨耗、摩擦和牯性滑动等性能。德国赫斯特公司将PTFE微粉聚氯乙烯氯化聚乙烯(CPE)的掺混物进行改性，主要采用将PTFE微粉加人CPE中混匀，然后再与PVC进行掺混这种改性PVCCPE可以作为PVC硬质材料使用；NTN公司利用直链型聚苯硫醚与碳纤维、PTFE微粉共混得到的掺混物具有理想的摩擦性能、熔体流动性和磨耗性能，用该材料加工成型的密封件表现出优异的耐久性；Kinyosha公司采用低分子量PTFE微粉对氟橡胶进行改性后，作为滚筒不粘性涂层材料，有效地避免了以前氟橡胶难以掺混大量PTFE，而且分布难以均匀的缺陷；穴金公司开发出具有棱一壳结构构成的平均半径为0 051Nm的PTFE微粉粒子做防滴剂可获得阻燃性树脂掺混物该防燃剂微粒的芯部为高分子量PTFE微粉，而壳部为低分于量PTFE微粉这种防滴剂防滴性能优良可用于易燃热塑性树脂中，可以获得加工性能、脱膜性能、舻观和阻燃件均优良的材料，。用于家用电器，电子电器仪器零件的制备；加入PTFE微粉，能改善材料的高压、高温润滑性能。即使基础油流失，PTFE微粉还能够起到润滑剂的作用。美国泰良公司用PTFE微粉加入硅油、矿物油和石蜡油能明显提高油的粘度，而且PTFE微粉的用量、取决于基础油的粘度所需要的润滑剂的稠度和应用领域通常添加量为530(质量百分数)，PTFE微粉加八脂、松香、矿物油，可以得到高质量润滑剂，目前广泛应用于球轴承、耐磨轴承、润滑甘轨、阡式齿轮，化工设备扎门、精密加工亚面的密封膏等；在印刷油墨监界观察方面，用PTFE微粉作添加荆。加胶版印刷、胶版印刷、柔性印刷油墨。一般用量为固体的0 13，可以明显改善油墨的滑动性、表面光滑性、光泽、并使印刷产品耐摩擦，微粉还可以减少堵塞，适用于快速打印机的需求，而且可以有效地避免纸张粘接。另外，当PTFE微粉与聚乙烯醇蜡混合使用的时侯可以明显改善其耐摩攘性能；在涂料中加入PTFE微粉可以得到多种高性能的特殊涂料满足工业发展对涂料工业的需求而且微粉添加量最高可以达到60左右。主要作用是改善涂料粘性及润滑性降低摩擦系数并提高耐磨性，提高耐腐蚀性并减少吸潮改善涂料的喷射浇铸性能，提高临舁膜厚度并改善其热成型性等。加入PTFE微粉的涂料系列主要有聚酰、聚醚砜以及聚苯硫醚等，他们在近400qC的高温烘烤后仍然表现极好的抗粘性，连续高温使用，性能不去发生变化。作为防粘涂料广泛应用于食品和包装工业，也用于家用电器、炊具、防化学腐蚀的金凰零哗、汽车零部件等，尤其是汽车、家用电器常良好的应用前景。此外，PTFE微粉还可以像墨、二硫化钼一样做干润滑剂效果优良，与丙烷和丁烷混合在一起可作为不粘和抗磨喷射剂、火箭添加剂等。四氟乙烯的聚合主要是在水介质中用特殊的引发剂和链终止荆使四氟乙烯单体聚合。有时还要加入一些共聚单体得到水分散液，再进行凝聚、干燥等一般得到平均粒径为4-8nm的微粉，常用的分散剂为全氟辛酸盐引发剂为过硫酸铵、乙烷等链终止剂选用乙烷、氯仿等加人的共聚单体主要为A氟丙烯等。聚四氟乙烯的机械性质较软，在温度 -20250（-4482F），允许骤冷骤热，或冷热交替操作。它的产生解决了我国化工、石油、制药等领域的许多问题。聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片. 聚四氟乙烯密封件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他塑料相比具有耐化学腐蚀与的特点，它已被广泛地应用作为密封材料和填充材料。 用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等。一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀门以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。分散液可用作各种材料的绝缘浸渍液和金属、玻璃、陶器表面的防腐涂层等。各种聚四氟圈、聚四氟垫片、聚四氟盘根等广泛用于各类防腐管道法兰密封。此外，也可以用于抽丝，聚四氟乙烯纤维氟纶（国外商品名为特氟纶）。 目前，各类聚四氟乙烯制品已在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁等国民经济领域中起到了举足轻重的作用。聚四氟乙烯(PTFE)使用条件行业 包括化工、石化、炼油、氯碱、制酸、磷肥、制药、农药、化纤、染化、焦化、煤气、有机合成、有色冶炼、钢铁、原子能及高纯产品生产（如离子膜电解），粘稠物料输送与操作，卫生要求高度严格的食品、饮料等加工生产部门。聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的，用以分散反应热，并便于控制温度。聚合一般在4080，326千克力厘米2压力下进行，可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂，也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的表面活性剂，例如，全氟辛酸或其盐类。虽然在全氟碳化合物中碳碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量346.94和484.88kJmol，但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38kJ。所以在高温裂解时，聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420时的失重速率（）每小时分别为110-4、410-3和910-2。可见，聚四氟乙烯可在 260长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等，所以要特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。 1.1.3 世界聚四氟乙烯发展概况世界1992年PTFE的生产能力约为5.5万吨，其中西欧能力最大，为1.7万吨，日本次之，为1.4万吨，美国为1.4万吨，其余国家约1万吨。1995年，世界PTFE生产能力约为6.5万吨左右。近年来世界PTFE树脂的生产能力有所增长，但各生产商更注意提高热塑性氟树脂(FEP、PEA等)的生产能力。日本大金公司美国分公司在美国阿拉巴马州的迪卡特(Decatur)新建2270吨年PTFE等生产装置，已于1994年1月全部投入生产，可生产PTFE模压料、细粉和分散液以及TFE单体等。它还在美国纽约州Qrageburg建立了美国总部和技术中心，目标是占领美国30的氟聚合物市场。杜邦公司是世界PTFE最主要的生产商之一，市场占有率为50，最近在俄罗斯投资生产PTFE，其生产能力为每年3000吨PTFE。 英国氟聚合物加工协会曾预测，1992-1997年世界PTFE需求将以平均每年5的速度增长，英国的生产能力为每年8000吨PTFE。 由于世界经济的影响，1992年以来，PTFE的消费有所下降。据报道，1991年世界PTFE总需求量约为42000吨，而1992年为37300吨。1993年世界氟树脂销量为54000吨，其中PTFE为40040吨，产品分为悬浮聚合树脂、分散法聚合树脂、浓缩分散液三类。它们的构成比分别为52、28、20。全球有氟树脂生产厂家20多家，遍布世界十几个国家。经过20世纪80年代较快速的发展之后，目前发展速度有所减缓，2000年世界氟树脂生产能力约为10万吨， 2005年生产能力稳步上升到12-14万吨；其中70左右为聚四氟乙烯(PTFE)。目前世界氟树脂主要生产厂家有美国杜邦公司、英国ICI公司、日本旭硝子和大金公司等，它们的年生产能力为3000吨至2万吨不等。PTFE的主要消费对象仍是化学工业、汽车制造和电子工业。美国是PTFE消费量最大的地区，约占40；其次是西欧市场，约占30左右；再次是日本，约占15左右。日本在发展氟产品上虽然比美国晚10-20年，但其充分利用自身的技术特长，十分重视高附加值产品和品级的开发，目前无论产量、品种和技术水平都属先进之列，是国际PTFE市场上强有力的竞争对手。据日本通产省统计，1958年日本氟树脂年产只有11吨，到1992年已达16510吨，其中PTFE产量约占70。目前，日本PTFE的生产能力已超过国内的销售量并向远东、欧美不断扩张。表1 1995年世界PTFE主要生产商 单位:吨/年国名生产商装置能力美国Du pont(杜邦)21600英国ICI7000德国赫斯特公司7800日本Du Pont-Mitsui(杜邦-三井)4082日本大金公司16103日本旭硝子公司3402意大利Ausimont4990共计649771.1.4 我国聚四氟乙烯发展前景我国是一个氟化钙（CaF2，俗称萤石）资源非常丰富的国家，储量居世界首位，萤石储量约占世界总储量的18，年开采量为200万吨左右，是世界上最大的萤石出口国。中国氟塑料加工业经过40年的发展，目前正在从以生产半成品为主，逐步向为汽车、电子、化工、机械、建材、环保、纺织、食品等领域提供高附加值配套制品过渡，部分国产制品已可替代进口，并有相当数量正在走向国际市场。这是中国塑协氟塑料加工专委会秘书长陈生日前在接受记者采访时所透露的信息。 在线国际商报讯1994年中国聚四氟乙烯产能突破15万吨后，随着世界氟化工行业七强之一的日本大金工业株式会社在江苏常熟投资133亿元建设的聚四氟乙烯装置的陆续投产，再加上山东东岳集团等黑马企业的相继扩产，1995年中国聚四氟乙烯的总产能有可能突破3万吨，而世界聚四氟乙烯的年产量约为6万吨。近年来，中国经济持续快速增长，为氟塑料制品提供了广阔的市场空间。其中，聚四氟乙烯产量比10年前增长了500，2005年其制品产量达到近3万吨。此外，可熔融加工氟塑料制品产量也在近几年快速增长。目前，国内氟塑料加工企业约有1000家，企业规模正在逐年扩大，年销售产值超过百亿元人民币。同时，中国氟塑料制品出口年均增长率达到20%，PTFE零件、浸渍产品、自润滑产品、密封制品、电线电缆、泵阀等制品的出口也形成了一定规模。近几年来，我国含氟聚合物产业发展十分迅速，目前已形成上海三爱富、浙江巨化、江苏梅兰、四川晨光、山东东岳、济南三爱富等 7家国 内企业及常熟大金一家日资企业；主要产品为PTFE、FEP、PV DF和以偏氟乙烯和六氟丙烯共聚的二元氟 橡胶。合氟聚合物总产能已由2000 年的11170吨年扩大至2007年的72800吨年，年均递增30.7(见表 2) ，其中氟树脂产能6600吨年，氟橡胶产能达6800吨年(以上统 计未计入常熟大金)；总产量2000年的9 200吨增长至2007年的48500吨年均增长268，其中氟树脂产量44500吨， 氟橡胶产量4000吨 ( 见 表3) 。含氟聚合物产业在产品总量、品种及质量上已基本能满足国内机械、石化、航空航天、汽车、电子等行业需求。我国也已成为与美国、日本、欧盟并列的四大含氟聚合物生产基地及消费市场之一。 21世纪初以来，我国PTFE行业步人快速发展阶段，总产能迅速增加。2000年我国PTFE总产能为10130吨年，到2007年已增长至 61000吨年，增长 5 .0 2倍；产量也 由 2000年的8400吨增加到2007年的42000吨，增长4倍，年均增长率约258。我国也一跃成为全球主要的PTFE生产国和供应国。2007全国PTFE表观消费量约3.6万吨。随着产量的不断增加，我国PTFe出口量也2000年的3700吨增长至 2007年的12604吨，增长3.67倍。但我国产品只在低端领域具有一定竞争力，而在加工深度、技术要求以及产品附加值更高的中高端市场仍被国外企业占据。由于国内产品在品种和牌号方面尚不能满足国内市场需 求，我国PTFE进口量已由2000年的2399吨增长至2007年的6843吨，增长1.85倍。 表2 2007 年我国主要氟聚合物生产企业产能（单位 ：吨每年）单位聚四氟乙烯熔融性氟树脂氟橡胶上海三爱富1000019001500山东东岳集团200006OO800江苏梅兰集团100002001500四川晨光化工研究院100003000浙江巨化集团60001200一济南三爱富30001000一阜新氟化学2000浙江化工研究院1000一小计61000500068O0表3 近几年我国主要氟聚合物产量（单位 ：吨 ）年份聚四氟乙烯熔融性氟树脂氟橡胶合计20008400252490914220O11000032250011777200214000388730151182003179145041133l955l200423700824197126495200526675101724003009220063120015502650354002007420002500400048500通过自主创新和引进吸收，中国氟塑料制品应用领域得到不断拓展，全行业已经基本掌握了门类齐全的氟塑料加工技术，企业拥有了相当数量的高、精、尖专用生产设备。同时，产能的不断扩大和竞争日趋激烈，使市场划分不断细化，越来越多的企业从半成品转向终端制品及与汽车、机械、纺织、建筑、化工、电子等领域直接配套产中国在含氟高分子材料和精细化工品方面却没有自己的优势.而近年来，国外著名的氟化工企业纷纷来中国投资新建氟产品深加工项目，开始从对中国萤石资源的竞争转向对中国氟深加工产品的竞争。在世界萤石三大资源国中，中国是开采量、出口量最大的，但是只作原料出口利润是很低的。尽管中国氟化工具有得天独厚的资源优势，但在氟化工产业不断增长的同时，也显现出了其分布不均匀、小而多、竞争力不强的问题，特别是许多企业科技投入不足、工艺落后品的生产。氟塑料制品品种也更加丰富，传统的聚四氟乙烯板、管、棒、膜在规格和质量稳定性方面均有所提高；螺纹密封用聚四氟乙烯生料带的生产已基本达到国际水平，产量超过世界总需求量的50，是氟塑料制品中最大出口品种；聚四氟乙烯在电子行业中的应用增长迅速；PTFE双向拉伸薄膜成为近年来发展较快的产品；可熔融加工氟塑料线缆发展已形成区域优势；氟塑料泵阀正在向智能化发展，衬里制品质量逐年提高。未来510年，中国氟塑料加工业将在产品性能提升、新品开发、新领域拓展等方面有所突破。氟塑料加工企业进一步向规模化、专业化发展，行业整体加工能力有望大幅提升。产品市场竞争初起中国的氟化工经过50余年的发展，已经形成了一支集研究、开发、设计为一体的生产队伍，具有一定的竞争力，特别是在氟基础化学品氢氟酸、氟制冷剂的产能方面已让国外企业不容忽视。目前有机氟材料特别是氟塑料在化工新材料中占据的地位及其作用越来越显著，已广泛应用于机械、电子、电器、汽车、石化、航天航空等领域，但等。尤其是高品质的聚四氟乙烯都要进口，故开发出优质高效的工艺显得十分重要。本设计生产的聚四氟乙烯微粉结晶度高分散性好、易十与其他材料均匀混台等优点，广泛应用于台成材料的共混改件，可以明显提高基材的润滑性、耐磨性、不牯性和阻燃性此外还可以作为润滑油、涂料等的添加剂。1.2 设计任务和内容根据世界聚四氟乙烯的概况及我国聚四氟乙烯的发展，确定设计的任务为：年产5000吨聚四氟乙烯工艺设计。聚四氟乙烯设计任务要体现国家有关方针政策，切合实际，安全实用，技术先进，经济效益好。对于工程项目，不论是大型还中小型也不论是新建项目，其基本建设的首要任务就是设计工作。对于一个车间的设计工作一般包括整体设计和局部设计。整体设计包括有总平面、工艺、给排水、供电、土木建筑设计等等,同时还包括车间地址选择，生产检测与控制仪表，环境保护，生产组织与劳动定员，技术经济与概算等内容。局部设计是指设计的范围不涉及整个车间的全部内容，而只是其中的某个部分，甚至某一个设备或某一个设备的设计。1.3 生产方法和工艺流程的设计原则生产方法和工艺流程的设计总体上要遵循以下几个原则（1）先进性先进性主要指技术上的先进和经济上合理可行。具体包括基建投资、产品成本、消耗定额、劳动生产率和销售状况等方面的内容，应该选择物料消耗小、循环料小、能耗少回收利用好的生产方法。 （2）可靠性可靠性是指所选择的生产方法和生产工艺流程是否成熟可靠。如果采用的技术不成熟，就会影响车间的正常生产，甚至不能投产，给经济和资源造成极大的浪费。为此，对于还在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应该谨慎对待。要防止只考虑新的一面，而忽略不成熟、不稳妥的一面，应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的车间当做试验车间来进行设计。另外，对生产工艺流程的改革也应该采取积极而又慎重的态度。（3）结合国情中国是一个发展中的社会主义国家。在进行车间设计时，不能单纯从技术观点考虑问题，应该从中国的具体情况出发考虑各种具体问题。根据以往的设计工作体会，化工工艺流程的改革也应认真考虑以下几个问题。中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势。中国化工机械设备及电气仪表的制造能力。中国化工生产所用的化工原料剂设备所用金属材料的供应情况。中国环境保护的相关规定和化工生产中三废排放情况。劳动就业与化工生产自动化水平的关系。资金筹措和外汇储备情况。车间的设计还应考虑满足生产聚四氟乙烯的特殊工艺要求。上述三项原则必须在技术路线上和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。一种技术的应用应有其优点，也有其短处。设计时必须采取全面分析比较的方法，并根据建设项目的具体要求选择其中不仅对现在有利，而且对将来工艺技术改造或升级有利，尽可能的发挥有利的一面，设法减少不利的因素。另外，设计的技术经济指标以达到或超过国内同类型车间的实际平均水平为目标。1.4 计算机在车间设计的应用随着科学技术的迅速发展，计算机在化工生产车间的设计中得到广泛的应用。在化工生产车间的设计中常会遇到复杂的生产工艺物料衡算、能量衡算、设备工艺及设计计算、管道设计及计算和大量耗时费力的绘制各种设计图纸的工作。计算机在化工中的应用能够较简便的解决上述所遇到的问题，代替繁琐的人工计算和绘图，可使计算和绘图正确、可靠，对有误设计图纸能够迅速改正。另外，计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）能按照PID图上显示的设计意图和相关的设计、标准、规范剂工作经验要求，在CAD系统上建立化工装备的软模型，然后进行碰撞、缺漏检查、应力分析等，最后输出施工图纸、材料报表及相关的设计文档，还有一些计算机软件，通过建立模型及输入相关生产装置运行参数，可以模拟车间实际生产情况及生产中会遇到的实际问题等。总之，合理利用计算机，可使设计人员能从总体设计和生产装置的安装工程上进行详尽周密的考虑，总体上确保车间设计的准确、安全、高效。2 生产方案及流程的确定2.1 工业中生产聚四氟乙烯的常用方法聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有耐酸、耐碱、耐高温、自润滑性等优异性能被广泛地应用于化学工业、机械工业、电子工业及航天航空等领域。聚四氟乙烯树脂可通过本体、 悬浮、乳液、溶液聚合方式获得。目前国内的聚四氟乙烯的生产通常用的方法主要有如下几种方法：2.1.1 引发剂引发混合液聚合 工业上主要采用悬浮聚合和乳液聚合 ，乳液聚合在工业上称为“ 分散聚合”。悬浮聚合法比较成熟，是工业上合成PTFE的主流方法。悬浮聚合 得到的聚四氟乙烯树脂可成型加工，而分散四氟树脂不能成型加工， 但用分散涂料的方法加工或转为 粉状用于糊状挤出；反之，悬浮四氟树脂不能进行糊 状挤出或涂布。悬浮四氟树脂和分散四氟树脂品质 的差异是由于它们的颗粒尺寸、 粒径分布以及颗粒 形态不同所致， 前者颗粒粒径为毫米级，而后者粒径为亚微米级(250350nm) 。聚四氟乙烯难熔，流动性差，其颗粒粒径大小和颗粒形态对熔融流动性以 及其加工性能和制品性能有重要影响。乳液聚合生 产的“分散四氟树脂”的粒子粒径尺寸小、粒径分布合理、粒子形态可控，因此加工性能和制品性能好。 四氟乙烯(TFE) 分散聚合机理TEE分散聚合机理类同于乳液聚合，但经典乳液聚合理论， 如Harkins与SmithEwart 理论等并不完全适用于TFE分散聚合。经典乳液聚合理 论认为水相自由基扩散到胶束，引发增溶单体而形 成乳胶粒子，乳胶粒子通过由单体液滴补充的单体进行聚合而不断增长。Kim等认为：TFE分散聚合的引发阶段是由溶解在水相的单体与水相自由基反应，形成聚合物链，并沉淀成为乳胶粒子核， 乳胶粒子核通过分散 在水相中形成的气泡直接与其相接触并发生链增长 反应而增长， 这是由于FIFE非常规整，一旦形成颗粒后其结晶度可高达90以上，因此分散PTFE粒子有很强的刚性，硬度很大，使得以后的单体不能扩散到颗粒内部进行反应， 而只能在粒子表面进行聚合。朱友良认为PTFE的分散聚合过程分两步：单体TFE溶于水的传质过程和T F E稀水溶液聚合反应过程。这两个过程串联，当TFE溶解速度较慢，低于聚合速率时，成为传质控制；当TFE溶解速度足够快时，则成为动力学控制。不论是聚合工艺 和聚合动力学研究需要，还是PTFE的性能控制要 求和为了提高聚合效率都应在动力学控制的条件下进行PTFE的合成。 TFE分散聚合工艺过程主要由聚合、除蜡、凝聚浓缩等工序组成。TFE分散聚合与悬浮聚合的体系不同，通常由单体、水、乳化剂、稳定剂及其它添加剂组成。TFE分散聚合反应前，先往聚合釜中加入无离子水、乳化剂、引发剂等助剂后，关闭聚合釜，进行保压试验，合格后用高纯氮气置换以清除釜内氧气，经多次重复抽真空，直至聚合釜内氧含量低于20mgL为止。慢慢通人TFE单体直至聚合压力，聚合釜开始慢慢升温，使聚合釜内保持所需的温度，聚合期间连续补加TFE以维持恒定的聚合压力。当釜中通人定量的T F E后，停止进料，将釜中剩余的TFE经碱洗和干燥后返回单体储罐。聚合反应后得到的分 散液呈白色乳状。聚合反应开始后，可以根据不同的目的，追加单体、引发剂、链转移剂以及乳化剂。 （1）乳化剂 P T F E的表面能低，乳液聚合形成的PTFE颗粒的表面具有很强的拒油、拒水特性， 传统乳化剂( 如 硬脂酸钠等) 的亲油基不能吸附在PTFE粒子表面，因而，不能用于TFE乳液聚合。长期以来，工业上四氟乙烯等氟烯烃的乳液聚合一般采用全氟烷酸或其盐作为乳化剂来实施含氟烯烃的乳液聚合，例如全氟辛酸铵，通常使用这些乳化剂是因为其产生多 种有利的特性，例如：快速聚合、氟烯烃与共聚单体 具有良好的共聚性能、 可以使分散体中的颗粒达到 较小的粒度、聚合产率高、良好的分散稳定性等。但 是杜邦的Teflon不沾锅涂料风波的焦点是怀疑全氟辛酸铵有致癌作用，在人体内易积累， 而且污染环境。杜邦等各大公司纷纷作出承诺，尽快淘汰用全 氟辛酸铵作乳化剂或助剂生产氟树脂和氟材料制品 的技术，不再使用和排放全氟辛酸铵。 聚四氟乙烯的颗粒形态、粒径及其分布对树脂的加工性能和制品性能都有重要影响， 因此在分散聚合中如何控制 P T F E分散体的粒子形态是非常重要的。在不同的聚合条件下， T F E分散聚合可以形成六角形、棒状和近球形三种形态的乳胶粒。Kim等 研究了用全氟辛酸铵为乳化剂的四氟乙烯的乳液聚合，当乳化剂的浓度接近或超过临界 胶束浓度时形成以棒状为主的乳胶粒，当乳化剂浓 度低于临界胶束浓度时， 球形乳胶粒占主体。Luhmann等实验发现，在转化率很低时，低分子量的PTFE分散粒子易集结成六角形分散形态而表面活性剂的链长和浓度增加有利于六角形乳胶粒的形成；经过较长时间的聚合后，乳胶粒形态以球状粒子为主，这也被 Rahl钊等的实验结果所证实。当表面活性剂浓度接近或大于CMC时，在整个聚合反应过程中，m E粒子都以棒状粒子为主。Chanzy等认为球状粒子由棒状粒子发展而来，起先形成棒状粒子，棒状粒子在表面活性剂作用下保持稳定。只要表面活性剂包住增长的棒状粒子，粒子就按这个模式增长。当表面活性剂浓度下降，粒子改变为球状粒子。 从TFE水性分散液中除去乳化剂在随后使用含氟乳化剂的分散体过程中，乳化剂会进入环境中，污染了环境，而且价格昂贵。人们必须研究如何从水性氟聚合物乳液中去除或者回收含氟乳化剂。Klaus 热浓缩分散液时，在 p H值 4 的条件下，在非离子型乳化剂( 如烷基芳基聚乙氧基醇)存在下从氟聚合物分散体中除去全氟辛酸 (PFOA) ，由于全氟辛酸挥发性高，可以通过蒸气蒸馏完全除去乳化剂。高挥发性是含氟链烷羧酸乳化剂，是全氟辛酸的一个特别特征。代替羧基的氟化乳 化剂 含 有其 它 可 离 解 的基 团如-SO3 H和-SO2H，它们不能充分的以游离酸的形式蒸气挥发， 除去这类乳化剂， 阴离子交换法是比较合适的。Hermann也揭示了从TFE聚合物分散液中如何除去含氟乳化剂，先向分散液中加入非离子型乳化剂，再通过离子交换树脂除去含氟乳化剂。 （2） 链转移剂 在PTFE聚合物的制备中，作为链转移剂，可以使用公知的物质，例如，环己烷、 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异戊烷、正己烷等饱和烃类，一氯甲烷、二氯甲 烷、 氯仿、四氯化碳等卤代烃类，甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇等醇类， 以及氟代碳碘化物等。优选使用在常温常压下为气体状态的物质。 （3）稳定剂 作为反应体系的分散稳定剂还可以使用饱和烃类，其实质上无反应活性， 在反应条件下成液体状态，碳原子数大于等于12 ，例如，石蜡、硅油等。稳定剂可以一种单独使用或两种以上组合使用。稳定剂的使用量以所使用的水的质量基准计算，优选0 .1-12，最好在0.18。作为调节反应中pH值的缓冲剂，可以添加碳酸铵、磷酸铵、磷酸氢二钠等。 （4） 引发剂 聚合引发剂采用水溶性自由基引发剂或水溶性 氧化还原体系引发剂，水溶性自由基引发剂，例如，过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS )等过硫酸盐，过氧化二丁二酸( DSP)、过氧化二戊二酸、叔丁基过氧化氢等有机过氧化物。氧化还原体系引发剂，例如， K2S2O8/Na2SO3、K2S2O8NaHSO4FeSO4、 K2S2O8/ Na2SO3/AgNO3 2.1.2 热引发本体聚合由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟将炭原子的电子电荷吸走，使得双键几乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热引发进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到的聚合物无杂质，品质较好。2.2 生产方法的特点2.2.1 引发剂引发混合液聚合 工业上主要采用悬浮聚合和乳液聚合 ，乳液聚合在工业上称为“分散聚合”。悬浮聚合法比较成熟，工业上合成PTFE的主流方法；此法较为成熟，生产工艺较为系统，生产路线比较有保障。通过TFE分散聚合，可制得耐候性、耐水性、耐污染性、耐化学药品性等优良的PTFE乳液，已在许多重要领域获得应用。国外在含氟聚合物乳液的合 成、 应用方面做了大量的工作，取得了长足的进步，含氟聚合物乳液及其应用的专利不断出现，其中有些已获得了工业应用。无论悬浮聚合还是乳液聚合都属于混合液中聚合，虽然水对四氟乙烯的加聚反应干涉不大，但高浓度的水或许会有少部分加成在聚四氟乙烯链上，这样在使用过程中可能会脱除氟化氢。脱除的氟化氢在光的、热的作用下分解出部分弗原子会引起聚四氟乙烯断链的连锁反应，使得产品很快；老化。此外，在混合液的聚合过程中还加入了很多助剂，这些都对最终聚四氟乙烯产品的质量产生不好的影响。最后，该方法的操作比较复杂，也是一个比较明显的缺点。2.2.2 热引发本体聚合由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟原子将碳原子的电子电荷吸走，使得双键几乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热引发进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到的聚合物无杂质，品质较好。此法的特点是操作简单、所值得产品质量较好。其缺点是传热不很方便，温度的控制要求较为严格。基于以上特点，工业上应用也不是很多，此法的工艺路线不很完善，给设计工作带来了一定的挑战。2.3 生产设备初探2.3.1 常用的反应器1 固定床反应器及其优缺点凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器，列管式固定床反应器基本结构如图右所示。而其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。气固相固定床反应器的优点主要表现在以下几个方面：(1)在生产操作中，除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动皆可看成是理想置换流动，因此化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要的催化剂用量和反应器体积较小。(2)气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。(3)催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。(4)适宜于高温高压条件下操作。由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一些缺点：(1)催化荆载体往往导热性不良，气体流速受压降限制又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度控制带来困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以更快的速度进行，放出更多的热量，物料温度继续升高，直到反应物浓度降低，反应速度减慢，化热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。所以在放热反应时，通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点，称为“热点。如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度，甚至失去控制而出现“飞温”。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的强度等均极不利。(2)不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，活性内表面得不到充分利用。(3)催化剂的再生、更换均不方便。固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其优点是主要的。因此，仍不失为气固相催化反应器中的主要形式，在化学工业中得到了广泛的应用。例如：石油炼制工业中的裂化、重整、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、硫酸、天然气转化等：有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。2 流化床反应器的优缺点流化床反应器是利用固体流态化技术进行气固相反应的装置。其结构如下图所示。将大量固体颗粒悬浮于运动的流体从而使颗粒具有类似于流体的某些宏观表现特性，这种流固接触状态称为固体流态化。化学工业广泛使用固体流态化技术进行固体的物理加工、颗粒输送、催化和非催化化学加工。流化床反应器的优点主要表现为：(1)由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大(可高达328016400m2In3)，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。(2)由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高【200400W(m2K)】，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。(3)流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应一再生、吸热一放热、正反应一逆反应等反应耦合过程和反应一分离耦合过程得以实现，使得易失活催化剂能在工程中使用。(4)流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。(5)由于流一固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层，所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。由于固体催化剂在床层中流动态的，相应地产生一些缺点：(1)气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。(2)催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。(3)由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。20世纪40年代之前，世界上所有乙烯几乎都从乙醇脱水而来，但后来由于石油工业裂解工艺的发展以及石油廉价的优势，乙醇制乙烯法逐渐发展缓慢，直到70年代后，乙烯价格的飞涨使得人们又开始关注由乙醇脱水制乙烯的工艺。本设计中，采用废糖蜜发酵所得的乙醇，经过蒸馏使之成为乙醇一水混合蒸气，该乙醇一水混合蒸气继续加热到150350后进入固定床反应器，在应器中经催化剂作用得到粗乙烯，粗乙烯冷却后，使用气液分离装置去除其中沸点大于70组分得到乙烯气体，乙烯气体依次通过洗涤、干燥和精制等工艺，然后得到成品的乙烯。该法降低了乙烯生产综合能量的消耗，减少固定资产的投入，促进了经济与环保的和谐发展，提高了生物法制备乙烯的经济竞争力，具有良好的工业应用前景。 2.3.2 换热器换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门 的通用设备，在生产中占有重要地位。 化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。在选择换热器时，我们将考虑流量、温度、经济等方面的因素。同时，在化工生产中，由于流体的性质不同，我们也要根据其输送量和补加能量等特点选择合适的离心泵来输送流体。间壁式换热器有夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等几种类型。其中管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种液体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程成为壳程。管束的壁面即为传热面。为了提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体速度，还